论文总字数：16471字

目 录

引言 4

1、 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.2 研究目的与意义 5

1.3 研究现状 5

1.4 技术思路 6

1.5 遥感技术检测森林火点的机理 7

2、 云南森林区概述及MODIS数据简介 8

2.1云南森林区概述 8

2.2 MODIS数据简介 8

2.3 MODIS数据特征分析 10

3、基于MODIS数据的云南森林火灾检测模型 10

3.1云南森林火灾检测模型参数 10

3.2 MODIS数据波段的选择 10

3.3 MODIS数据坐标定位和亮温转换 12

4、MODIS数据在云南森林火灾检测中的具体运用 12

4.1 MODIS数据自动提取火点 12

4.2 MODIS v4探测火点算法之云南森林改进 13

4.2.1 云检测 14

4.2.2 高温异常点检测 16

4.2.3 噪声点检测 17

4.2.4 低温闷烧点检测 18

4.2.5 获取林地资料 18

4.2.6 提取森林火点 19

5、 结语 19

参考文献 20

致谢 22

MODIS数据在云南省森林火灾中检测模型的构建

赵彩娥

,China

Abstract：Yunnan province is located in the west of our country, the forest covers an area of 287 million acres, known as the "Kingdom of plants" reputation, but in recent years, due to natural or anthropogenic based, resulting in large forest fires occurred frequently in Yunnan Province, not only caused huge economic losses and casualties, but also destroy the local ecological system, emissions a lot of greenhouse gases, affecting the overall climate of the earth, so Yunnan forest fire monitoring system construction is imminent. Remote sensing satellite coverage is wide, high resolution of space and time, in the forest fire monitoring has a very special ability and potential. MODIS sensor in the design of the fire monitoring requirements to be considered, is very suitable

for forest fires related information extraction, has a broad application prospects. This paper mainly aims at the meteorological conditions and geographical location of Yunnan, and improves the original modis v4 algorithm so as to finally adapt to the actual situation in Yunnan.

Keywords：MODIS data、Yunnan province、Forest fire

引言

云南省素有“植物王国”之称，全省的林业用地面积高达3.75亿亩，占云南省国土面积的百分之六十五以上，位居全国林业用地面积的第二位；而其森林面积，则高达2.87亿亩，位居全国各省森林覆盖面积的第三位【¹】。而云南省地区位于我国西南部，气候干旱，地广人稀，屡屡发生森林火灾，不仅会严重的破坏当地的生态系统，影响生态平衡，还会造成巨大的经济损失，更有甚者导致人员伤亡。因此，需要充分的利用科学技术来有效的检测森林情况，而在实践工作中，利用NOAA卫星资料来检测森林、草场的火灾情况已经有了超过十年的使用历史，为我国森林火灾的紧急应对工作提供了巨大的便利。而近年来美国国家航空航天局（NASA）的发展计划由NOAA转向EOS系列卫星，该系列卫星由十颗卫星组成，而在1999年Terra卫星升空后，其主要探测仪器—MODIS，成为了目前全球唯一的直接对地面进行广播的探测仪器。而MODIS具有对云层、气态溶胶、辐射收支平衡的探测能力，空间分辨率可以达到250米，其无论是监测精度还是反应速度都远超于现有的其他设备。因此，充分运用MODIS数据对云南森林火灾进行检测有着巨大的意义和作用。

1、绪论

1.1 研究背景

森林不仅仅是国家重要的战略资源，也是当地生态系统的重要组成部分，一旦森林受到破坏，无论是动物还是其他植物都会受到巨大的影响。而就我国而言，我国现有的森林资源，无论是森林覆盖面积还是森林整体的质量都存在严重的不足，人均森林占有量仅为世界平均水平的六分之一，单位面积的森林储蓄量也只是堪堪达到世界平均水平的百分之六十【²】，而云南省森林覆盖面积虽然高达2.87亿亩，但是同样也存在着上述的数量和质量的不足，因此要尽可能的减少云南森林火灾发生的频率和造成的经济损失。而我国传统的森林监控主要依靠林业部门工作人员和飞机监测完成，不仅费时费力成本高，而且效果较差。而MODIS数据分辨率高、使用成本低，为云南森林火灾的检测提供了新的思路。

1.2 研究目的与意义

卫星遥感技术在森林火灾的实时监测和快速救灾方面越来越发挥出巨大的作用，而目前。因此，本文探究如何利用MODIS数据监测和防范云南森林火灾，希望能够尽可能的防范云南森林火灾，降低森林火灾带来的经济损失和人员伤亡，更好的保护我国本就紧缺的森林资源。

1.3 研究现状

从1980开始，以美国为首的发达国家开始了使用卫星遥感技术检测地面火灾的技术研究。而在研究之初使用的是GOES卫星监测平台，而GOES平台因为本身技术设计的原因，虽然时间分辨率较高，对部分焦点区域能够达到十五分钟一次的扫描频率，但是存在着对地识别分辨率较低，且受天气、角度影响较大，难以满足科学研究和日常使用的需要。而其后NASA发射的EOS系列的卫星检测平台，其上装载的MODIS传感系统成功的实现了时间分辨率与空间分辨率的兼顾，且MODIS的36个波段检测可以有效的对森林火灾的规模、走向、火势等方面问题进行分析预测，且其高达250m分辨率，也为林业部门的火灾监测和火点判定提供了帮助。自 EOS Terra/Aqua 卫星成功发射以来，MODIS 数据在森林火情监测中的应用研究日益受到世界各国的重视。在国际上，以美国 NASA 戈达德宇航中心的Kaufman 博士为首的研究小组对 MODIS 数据的火灾监测算法进行了模拟研究，并分别对巴西、非洲的森林火灾的监测进行了野外试验验证[7-8]；以郝魏民为首的研究小组则利用 MODIS 数据研究火灾对大气及环境的影响[9]；Justice 和Giglio 等人修正了火灾监测算法，在火点的判识标准上改进较大[11-12]；Fraser 研究小组结合燃烧区的植被信息，提出了 MODIS 火点监测算法，大大提高了火灾监测的效率[13]。

自从进入千禧年之后，我国也开始陆陆续续建立起了超过三十个地面接收站，专门用于MODIS数据的接收工作，在这样便利的数据支持下，我国的科研人员也纷纷使用MODIS数据开展了应用研究，覃先林（2004年）在野外对森林植被实地检验调查的基础上，开发出了亮温-植被指数型模型，基于MODIS数据对森林植被中的火点进行有效的判定识别【³】；梁云（2002年）在总结国内外学者的研究之上，建立起了使用MODIS数据的近红外和中红外通道的组合，组成三通道的火灾预测技术，并且在大兴安岭地区的火灾预警实践中发挥了重要的作用【⁴】；肖利（2008）在对一场发生于重庆市范围内的森林火灾进行监测时，使用了周小成（2006）提出的EOS/MODIS森林火点提取算法【⁵】，但是发现未能成功发现森林火点，验证了这一算法在实践应用中的不足【⁶】。总体来说，我国目前关于MODIS数据使用的研究已经经过了十余年的发展历史，无论是使用方法还是使用流程都已经比较成熟，但关于森林火灾预测的研究中，算法设计方面还需要进一步改进。因此，本文立足于云南省森林火灾的现实情况，将现有的MODIS v4算法进行改良，真正实现MODIS数据在云南森林火灾中的应用问题。

1.4 技术思路

首先根据云南省森林的云和森林地表的反射特性，在MODIS的36个波段中选择出适合于云南森林的波段，修正我国先前研究中的多光谱云检测算法；之后对周小成的EOS/MODIS森林火点提取算法的绝对阈值进行针对性的修正，方便判别云南森林火灾研究区中高温火点和高温异常点；之后根据修正后的阈值检测森林火灾中的噪声点；再根据云南森林中地表覆盖物、云和火灾中火点的反射率，选择合适的MODIS反射率；最后，运用NDVI作为森林林地的判断依据，并且结合云南森林的特点对NDVI进行修正。具体路线如图1所示

图1 基于MODIS数据的森林火点检测技术设计路线

1.5 遥感技术检测森林火点的机理

自然界中的一切物体都在借由介质向外发出电磁波，然而，每一个物体的物理性质不同、化学性质不同，其温度也是不同的，因而每个物体发射出的电磁波也都各不相同^[7]。而遥感技术检测森林火点的机理，就是根据不同波段对高温目标的反射率吸收特性的差异来识别火点【⁸】。但是需要认识到的问题是，发出强辐射的，不只是森林火点，中红外波段下的云和温度较高的地面都能发出不弱于实际火点的辐射波，因此，在监测森林火点时，需要将这两个干扰因素排除。地面温度较高是，其远红外辐射值可以达到峰值，但是，因为特征值不同，高温地面的远红外通道不同于森林火点，其是不完全的热辐射，因此，想要实现排除高温地面对森林火点检测目标的干扰，可以使用不同波段下，辐射温度差值来排除，森林火点在不同波段下差值较小，基本不存在差值，而高温地面对则会有明显的温度差值。

2、云南森林区概述及MODIS数据简介

2.1 云南森林区概述

云南省是我国的四大林区之一，素有“植物王国”的美称，其森林面积高达2.87亿亩，位居全国各省森林覆盖面积的第三位。具体而言，云南地形复杂、气候也是多种多样，全省自北向南分布着，从热带阔叶林，到高山针叶林的超过一百种森林类型，云南南部主要是热带和亚热带树种，以常绿阔叶林为主；而云南中部的高原地区，则主要覆盖着云南松、思茅松等松鼠；云南的西北部，以杉木为主。而云南省的主要森林资源，分布在滇南和滇西北地区。

基于云南复杂的森林环境，需要使用不同的算法对云南地区的火灾进行监测，此前，不是没有过对云南低于火灾进行监测的研究，但是都脱离与云南省的地理情况，没有因地制宜的提出针对性的算法，因而成效都不是很显著。因此，本文基于云南省森林火灾的实际情况，提出有针对性的遥感监测森林火灾的算法。

2.2 MODIS数据简介

MODIS传感器的使用，给全世界的科学研究人员带来了更便利的技术条件，也给灾难预警方面的研究，特别是地震、火灾、海啸等大型灾难的预警提供了无可比拟的便利。MODIS传感器可以提供从可见光到远红外的36个波段的光源（表1），其对地面的分辨率包括250米，500米，1000米三个量级，其望远镜的直径为1778mm，扫描频率为20.3r/min，最大扫描直径为2330km，其获得地表实时信息的速度相较于其他传感器有明显的优势^[9]。

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